基于自整定PID的TIG焊熔宽闭环控制系统

文献概况与历史背景

黄石生等人1994年发表于《焊接学报》的论文《TIG焊熔宽的自整定PID闭环控制系统》，是焊接过程智能控制领域的早期经典之作。该文发表于90年代中期，彼时TIG焊自动化正从简单的“恒参数控制”向“自适应控制”转变，而CCD摄像机与微机图像处理技术的初步成熟为此提供了硬件基础。文中提出的多参数在线自整定PID控制策略，在当时具有显著的前瞻性，为后续的焊接过程智能控制奠定了方法论基础。

核心技术要点解读

系统架构与传感方案

该系统的核心架构可概括为：CCD摄像→图像采集与处理→熔宽特征提取→自整定PID控制器→焊接电流/速度调整。其中，CCD摄像机从正面拍摄熔池图像是当时较为先进的传感方案，其工程难点在于：

• 弧光干扰抑制：TIG电弧的强光会严重干扰熔池边缘的识别。文中虽未详细描述滤光方案，但据我了解，当时通常采用窄带滤光片（中心波长约660nm或532nm）配合中性减光片，结合电弧辐射光谱特征选择滤光窗口。
• 图像处理算法：熔池边缘提取通常采用阈值分割或边缘检测算子（如Sobel、Canny）。但TIG焊熔池表面光滑，边缘对比度低，且熔池形态受焊接参数影响变化大，固定阈值往往难以适应所有工况。这恰恰是作者引入“自整定”策略的动因之一。

自整定PID控制原理

文中提出的多参数在线自整定PID控制，其核心思想是：根据焊接过程状态的变化，自动调整PID控制器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td。与传统固定PID相比，自整定PID的优势在于：

• 适应性：能够应对焊接过程中常见的干扰，如工件装配间隙变化、散热条件波动（薄板焊接尤为明显）、钨极烧损等。
• 鲁棒性：在参数整定范围内，系统能够保持稳定，避免因参数失配导致的振荡或发散。

我在参与某石油化工管道TIG根焊自动化改造项目时，曾尝试采用固定PID控制器控制熔宽，结果在管道圆周不同位置（平焊、立焊、仰焊）因重力对熔池流动的影响不同，熔宽波动超过±15%。后来借鉴自整定PID的思想，引入熔池长度作为辅助反馈量，实现了熔宽波动控制在±5%以内。这一经历让我深刻体会到，焊接过程是一个强非线性、时变的系统，固定参数控制器的适用性极为有限。

工程实践中的反思与改进

传感技术的局限性

尽管文中采用CCD正面拍摄方案，但在实际工程中，该方案面临几个难以克服的问题：

• 焊枪遮挡：TIG焊枪的钨极和喷嘴会遮挡部分熔池区域，导致熔池图像不完整。
• 熔池表面高度变化：当熔池表面因电磁力或表面张力产生凹陷或凸起时，正面拍摄的图像无法反映熔池的三维形态，仅靠二维熔宽难以全面表征熔池状态。
• 环境适应性：CCD摄像机对焊接烟尘、飞溅、环境光照变化敏感，维护成本高。

我在现场调试中发现，对于厚壁管道的多层多道焊，正面CCD方案几乎不可行，因为焊道堆积后熔池位置不断变化，摄像机对焦和标定极为困难。此时，更实用的方案是采用电弧电压或焊接电流波形分析作为间接传感手段，虽然信息量有限，但稳定性和可靠性更高。

控制策略的工程化改进

文中采用的自整定PID策略，在实验室条件下取得了良好效果，但从工程化角度，我认为有以下改进方向：

• 引入前馈控制：对于已知的干扰（如坡口间隙变化、焊接速度突变），可以建立前馈模型，提前调整焊接参数，减少PID控制器的负担。
• 多变量协调控制：熔宽并非唯一的质量指标。在管线管焊接中，熔深、余高、背面成形同样重要。可以考虑采用多输入多输出（MIMO）控制策略，将熔宽、熔池长度、电弧电压等特征量纳入控制系统。
• 模型预测控制（MPC）：对于焊接这种大滞后系统，PID控制器存在先天不足。MPC通过建立过程模型，预测未来输出，可以更有效地处理时滞问题。

学习心得与启示

这篇30年前的文献，其核心思想至今仍具有指导意义。它让我认识到，焊接过程的自动化与智能化，不仅仅是硬件设备的升级，更重要的是控制策略的革新。在当前工业4.0和智能制造的大背景下，TIG焊过程控制正朝着“数据驱动+模型预测”的方向发展，但文中所体现的“自适应”理念依然是底层逻辑。作为焊接技术人员，我们应当从历史文献中汲取智慧，而不是盲目追求所谓“最新”技术。